王 超，祝云飛

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

W火焰鍋爐低氮燃燒器改造問題與解決方案

王 超，祝云飛

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

“W”火焰鍋爐為了燃燒難燃無煙煤，通常采取高煤粉濃度、高溫、高氧量集中送風(fēng)、高停留時間方式組織燃燒，而高氧量集中送風(fēng)是造成鍋爐NOx排放濃度高達(dá)1 200～2 000 mg/m3的主要原因。某電廠300 MW機組采用“W火焰”燃燒方式，NOx排放濃度約600～1 300 mg/m3。為了能夠節(jié)能減排，通過燃燒器、分級配風(fēng)、衛(wèi)燃帶這三個方面進行了低氮燃燒改造。改造后NOx排放濃度達(dá)到了預(yù)期改造效果，將脫硝入口NOx排放濃度降低到800 mg/m3以下。針對改造后產(chǎn)生的鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣問題，采用衛(wèi)燃帶改造的方法進行解決。

“W”火焰;NOx排放濃度;低氮燃燒改造;結(jié)渣

0 引言

鍋爐低氮改造的理論研究比較充分，對煤燃燒產(chǎn)生NOx的機理進行了詳細(xì)描述，并不斷建立和完善數(shù)據(jù)模型，從理論上驗證了工程實踐。清華大學(xué)化學(xué)系許玲詳細(xì)論述了煤燃燒產(chǎn)生的NOx有三個來源［1］:熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx，在1 300℃下主要是燃料型NOx。東北電力大學(xué)呂太教授運用Fluent軟件，對采用立體式分級低氮燃燒技術(shù)進行燃燒器改造的某300 MW機組四角切圓燃燒鍋爐改造前后額定工況下爐內(nèi)的速度場、溫度場、組分場以及NOx濃度場進行了數(shù)值計算，并與對應(yīng)工況下的試驗值進行對比，計算值與試驗值吻合較好，驗證了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性［2］。

某電廠300 MW機組設(shè)計燃用無煙煤與貧煤的混煤，NOx排放濃度在600～1 300 mg/m3。為了降低SCR脫硝投資及運行成本，進行了低氮燃燒改造工程，通過對燃燒器、分級配風(fēng)、衛(wèi)燃帶的改造，可將脫硝入口NOx排放濃度降低到800 mg/m3以下，通過脫硝系統(tǒng)后，煙囪入口排放量達(dá)到50 mg/m3，實現(xiàn)超凈排放。

1 鍋爐概況

該機組鍋爐為東方鍋爐引進美國福斯特·惠勒(FW)公司技術(shù)設(shè)計制造生產(chǎn)的亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環(huán)、雙拱型單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、“W”型火焰燃煤鍋爐［3，4］。每臺鍋爐配 24只雙旋風(fēng)筒式煤粉濃縮型燃燒器，配備4臺雙進雙出直吹式鋼球磨煤機，燃燒器為前后墻拱上布置，一次風(fēng)粉經(jīng)濃淡分離，90%粉加50%風(fēng)由噴燃器口進入，抽出的10%粉加50%風(fēng)由下爐膛部位乏氣風(fēng)口進入［5］。鍋爐主要參數(shù)見表1。

該機組煤種為50%陽泉無煙煤加50%壽陽貧煤的的混煤;校核煤種 (A)為70%陽泉無煙煤加30%壽陽貧煤;校核煤種 (B)為100%陽泉無煙煤。均屬于高熱值、難著火、難燃盡、不易結(jié)渣煤。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

2 改造方案

本機組低氮改造的原理是以低氮燃燒器與空氣分級配風(fēng)為核心，在爐內(nèi)組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物來抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。主要從以下幾個方面進行了改造［6］。

2.1 燃燒設(shè)備改造

拆除原有的雙旋風(fēng)燃燒器，采用直流式帶中心風(fēng)煤粉燃燒器，改造后的煤粉濃縮器獨立布置于燃燒器前，一次風(fēng)粉混合物經(jīng)過煤粉濃縮器，利用其中心擋塊和旋流葉片分離煤粉氣流，使煤粉氣流分成中心的淡粉氣流和外圍的濃粉氣流，分別引入乏氣噴口和燃燒器一次風(fēng)噴口。中心風(fēng)引自中心風(fēng)母管。直流燃燒器內(nèi)布置中心風(fēng)的主要作用是在油槍運行時用作燃油配風(fēng)，提供油槍點火所需要的根部風(fēng)，避免燃油時出現(xiàn)冒黑煙的情況;在油槍停運時起到冷卻油槍并保護燃燒器端部，防止煙氣倒灌及灰渣積聚的作用［7～9］。

2.2 分級配風(fēng)改造

2.2.1 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

拱上原A、B、C三個風(fēng)門合并為一個拱上二次風(fēng)門，原有的拱下垂直墻上D、E二次風(fēng)風(fēng)口取消，對原F二次風(fēng)風(fēng)口重新設(shè)計布置為拱下二次風(fēng)口，并增設(shè)導(dǎo)流板使其向下以30°的角度進入爐膛。改造后的拱上二次風(fēng)和拱下二次風(fēng)分別占總風(fēng)量的39.2%和16.8%，配合上爐膛下部燃盡風(fēng)的進入，有利于形成合理的分級配風(fēng)，使拱下主燃燒區(qū)域處于還原性氣氛，對于抑制NOx排放也更為有利。

燃燒器二次風(fēng)箱劃分為24個獨立的配風(fēng)單元，對每個燃燒器的二次風(fēng)實行單獨控制，每個配風(fēng)單元由上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱兩部分組成。上部風(fēng)箱的改造拆除原來風(fēng)室A、B。下部風(fēng)箱的改造需要拆除原來擋板D、E、F所在風(fēng)門，安裝新的拱下二次風(fēng)風(fēng)門。翼墻增加布置貼壁風(fēng)，風(fēng)量按占總風(fēng)量2%～5%設(shè)計，在爐膛側(cè)墻形成保護性氣氛，防止煤粉沖刷水冷壁而結(jié)渣。二次風(fēng)改造前后結(jié)構(gòu)如圖1。

2.2.2 乏氣風(fēng)改造

本次改造設(shè)計了乏氣環(huán)形周界風(fēng)。乏氣風(fēng)布置于鍋爐爐膛垂直墻中部，以下傾40°傾斜進入爐膛。由于乏氣風(fēng)的引射和頂托作用，在一定程度上也可以防止下沖火焰沖刷前后墻水冷壁而造成結(jié)渣。

2.2.3 燃盡風(fēng)改造

本次改造增加了燃盡風(fēng)風(fēng)箱、連接風(fēng)道和燃盡風(fēng)風(fēng)口，燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器數(shù)量為26只，前后墻各13只。燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器將燃盡風(fēng)分為兩股獨立的氣流噴入爐膛，以使煤粉在后期進一步燃盡。中部為直流氣流，外圈為旋轉(zhuǎn)氣流，兩股氣流之間的流量分配均可以來調(diào)節(jié)。

圖1 二次風(fēng)改造前后結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 受熱面改造

鍋爐本體受熱面改造［10］包括適應(yīng)燃燒器改造的大屏過熱器改造、高溫再熱器改造以及水冷壁改造。

為減少過熱器減溫水量，并方便燃燒器改造中的燃盡風(fēng)口布置，將大屏底部上移，減少受熱面積。為緩解因同屏再熱器工質(zhì)流量分配偏差造成的高溫再熱器管壁超溫問題，對高溫再熱器第一根管子進行了短接，將入口到“U”型彎下移2 000 mm。增加高溫再熱器外圈管的工質(zhì)流量，緩解壁溫超溫的問題。水冷壁改造包括大屏穿墻區(qū)域水冷壁上部水冷壁、燃盡風(fēng)開孔區(qū)域的中部水冷壁和燃燒器區(qū)域的爐拱和拱下垂直水冷壁。大屏過熱器改造示意圖如圖2所示。

2.4 側(cè)墻衛(wèi)燃帶改造

將側(cè)墻衛(wèi)燃帶分割為6塊，共去除衛(wèi)燃帶120平方米，改造示意圖如圖3所示。

3 改造效果及問題

3.1 改造效果

圖2 大屏過熱器改造示意圖

本次鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造后對NOx排放濃度、鍋爐熱效率、減溫水量等性能進行了性能試驗。低氮燃燒系統(tǒng)改造后，鍋爐燃用設(shè)計煤種的額定工況下，常規(guī)習(xí)慣氧量下，NOx排放濃度分別為695 mg/Nm3，SCR入口煙氣中CO排放濃度平均值分別為14 μL/L，飛灰可燃物含量平均值分別為6.04%，鍋爐熱效率分別為91.37%，過熱減溫水總流量分別為66.5 t/h，再熱減溫水流量均為0 t/h，達(dá)到了預(yù)期效果。具體效果見表2。

圖3 低氮改造過程中去除衛(wèi)燃帶示意圖

表2 低氮燃燒改造后性能試驗結(jié)果

3.2 存在的問題

鍋爐在運行期間，鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象，由于底部冷灰出口焦塊堵渣，下爐膛溫度過高，導(dǎo)致下爐膛墻面流渣。結(jié)渣部位主要集中在側(cè)墻、翼墻和拱下下部風(fēng)箱區(qū)域［11～13］。

根據(jù)W火焰鍋爐爐膛設(shè)計與燃燒系統(tǒng)的技術(shù)特點及其優(yōu)劣、運行情況及低氮改造后普遍存在的共性問題進行分析，主要原因如下:

(1)爐膛爐溫高?，F(xiàn)有鍋爐的結(jié)構(gòu)尺寸決定了下爐膛的容積熱負(fù)荷及斷面熱負(fù)荷不可改變，但下爐膛容積熱負(fù)荷偏高 (248 kW/m3)，造成各區(qū)域發(fā)生結(jié)渣。

(2)二次風(fēng)與煤粉氣流的整個燃燒、擴散過程的配合中，防結(jié)渣方面的措施不足。

3.3 解決對策

針對鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣的問題，改造可以通過盡量去除下爐膛各區(qū)域的衛(wèi)燃帶面積，減少衛(wèi)燃帶面積占下爐膛有效敷設(shè)面積的比例，來降低下爐膛有效壁面熱負(fù)荷，適當(dāng)降低局部熱負(fù)荷減緩各區(qū)域發(fā)生結(jié)渣的可能。具體方案如下:

(1)拱下前后墻衛(wèi)燃帶改造

將乏氣風(fēng)口中心線上下共600 mm高范圍內(nèi)衛(wèi)燃帶去除;拱下二次風(fēng)上方800高范圍內(nèi)的衛(wèi)燃帶去除。減緩前后墻拱水冷壁的結(jié)渣問題。

(2)翼墻和側(cè)墻衛(wèi)燃帶改造

為減緩翼墻結(jié)渣，將該區(qū)域衛(wèi)燃帶進行帶狀去除，側(cè)墻區(qū)域去除剩余的衛(wèi)燃帶，減緩側(cè)墻和翼墻結(jié)渣問題。

4 結(jié)論

(1)本文對低氮改造后存在的爐膛側(cè)墻和翼墻嚴(yán)重結(jié)渣問題進行了分析和研究，通過去除衛(wèi)燃帶、翼墻防焦風(fēng)改造等措施達(dá)到降低壁面熱負(fù)荷的解決方案，并對改造后減溫水、爐膛出口煙溫、爐膛入口煙溫的影響進行了評估。

(2)根據(jù)本次防結(jié)渣改造方案，改造后剩余衛(wèi)燃帶面積375.8 m2，衛(wèi)燃帶敷設(shè)面積占下爐膛有效敷設(shè)面積的32.5%。按此方案進行鍋爐熱力計算，結(jié)果顯示各計算負(fù)荷工況下有適量過熱器減溫水，下降幅度約17%～37%，爐膛出口煙溫下降約18～23℃，對SCR入口煙溫的影響＜3℃。

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Problem and Solution of Low NOx Burner Modification in W Shaped Flame Boiler

Wang chao，Zhu Yunfei
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to combust hard anthracite，pulverized coal with high concentration，high temperature，central air supply with high oxygen content，high resident time to organize combustion were utilized in W shaped flame boiler．However，central air supply with high oxygen content is the main reason why boiler’s NOx emission concentration reaches 1 200～2 000 mg/m3．A power plant with 300MW unit used“W shaped flame”combustion mode and NOx emission content was about 600～1 300 mg/m3．In response to national policy of energy saving and emission reduction，low-nitrogen retrofit was conducted through burner，staged air distribution and refractory belt．The results show that NOx emission content reached expected goal and it was lower than 800mg/m3at the entrance of denitration facility after retrofit．And serious problem of slag bonding after retrofit was solved by refractory belt reconstruction．

W shaped flame;NOx emission concentration;low-nitrogen retrofit;slag bonding

TK227

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.010

2015－09－10。

王超 (1984-)，男，工程師，主要從事火力發(fā)電廠低氮燃燒技術(shù)方面的研究工作，E-mail:406902016@qq.com。